Raspberry Pi klēpjdators ar super kondensatoru: 5 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Atkarībā no vispārējām interesēm attiecībā uz šo projektu es varu pievienot papildu darbības utt., Ja tas palīdz vienkāršot neskaidras sastāvdaļas.

Gadu gaitā es vienmēr esmu bijis ieinteresēts jaunākajā kondensatoru tehnoloģijā un domāju, ka būtu jautri izmēģināt to ieviešanu kā sava veida akumulatoru. Strādājot pie tā, man radās daudz savdabīgu problēmu, jo tās nav izstrādātas, ņemot vērā šo lietojumprogrammu, bet vēlējos dalīties tajā, ko esmu uzzinājis un pārbaudījis.

Tas ir vairāk, lai uzsvērtu uzlādes grūtības un jaudas iegūšanu no superkondensatoru bankas mobilajā lietojumprogrammā (lai gan ar to, cik tas ir smags, tas nav tik mobils …).

Bez lieliskajām apmācībām zemāk tas nebūtu piepildījies:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Padziļināta informācija par superkondensatoriem
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Lādēšanas un izlādes ķēdes izveides apmācība
• Es mēģināšu izrakt vairāk, ko izmantoju, ja varu tos atrast/atcerēties.
• Ja jums ir kādas apmācības, kuras, jūsuprāt, ir atbilstošas, dariet man to zināmu, lai es varētu to iemest šeit.

Galvenie iemesli, kādēļ vēlējos to izmēģināt, ir šādi:

• Uzlāde pilnībā SECONDS laikā (ar lielu strāvas stiprumu šī sistēma ierobežo minūtes līdz… droši).
• Simtiem tūkstošu uzlādes ciklu bez degradācijas (vairāk nekā miljons piemērotos apstākļos).
• Ļoti niša tehnoloģija, kas, iespējams, varētu nonākt galvenajā akumulatoru nozarē.
• Vides ekspluatācijas apstākļi. Šeit izmantoto kondensatoru temperatūra no +60C līdz -60 C.
• Uzlādes efektivitāte ir> 95% (baterijas vidēji ir <85%)
• Man tie šķiet interesanti?

Tagad par vienmēr nepieciešamo brīdinājumu, strādājot ar elektrību … Lai gan ir ļoti maza iespēja gūt ievainojumus, strādājot ar zemu spriegumu ~ 5 V, neticami liels strāvas stiprums, ko var izvadīt super kondensatori, izraisīs apdegumus un uzreiz apcep komponentus. sniedz lielisku skaidrojumu un drošus soļus. Atšķirībā no baterijām, spaiļu īssavienojums nerada sprādziena risku (lai gan tas var saīsināt superkondensatora kalpošanas laiku atkarībā no stieples gabarīta). Reālas problēmas var rasties, pārspriegojot (uzlādējot iepriekš norādīto maksimālo spriegumu), kur superkondensatori sabruks, “izleks” un mirs dūmakainā putrā. Ārkārtējos gadījumos var gadīties, ka zīmogs izlec diezgan skaļi.

Kā piemēru tam, cik daudz jaudas var atbrīvot, es nometa 16 gabarīta vara stiepli pāri pilnībā uzlādētai bankai ar 5 V spriegumu (protams, nejauši), un mani nedaudz apžilbināja vads, kas dega baltā un zaļā zibspuldzē. Mazāk nekā sekundē 5 cm stieples gabals bija aizgājis. Simtiem pastiprinātāju pārvietojas pa šo vadu mazāk nekā sekundē.

Es apmetos uz klēpjdatora kā platformas, jo man apkārt gulēja Raspberry Pi, alumīnija čemodāns, kioska tastatūra un 3D printeris prototipa izveidošanai. Sākotnēji ideja bija izveidot šo klēpjdatoru, lai tas varētu darboties 10-20 minūtes ar minimālu piepūli. Tā kā manā koferī bija papildu telpa, bija pārāk vilinoši mēģināt vairāk izstumt no šī projekta, sabāžot vairāk super kondensatoru.

Pašlaik izmantojamās jaudas apjoms ir zemāks par VIENU 3.7V 2Ah litija jonu akumulatoru. Tikai aptuveni 7Wh jaudas. Nav pārsteidzoši, bet ar uzlādes laiku, kas ir mazāks par 15 minūtēm no tukšas, tas vismaz ir interesants.

Diemžēl ar šo sistēmu var izvilkt tikai aptuveni 75% kondensatoros uzglabātās jaudas … Noteikti varētu ieviest daudz efektīvāku sistēmu, lai patērētu jaudu ar zemāku spriegumu aptuveni 1 V vai mazāk. Es vienkārši negribēju tam tērēt vairāk naudas, kā arī zem 2 V kondensatoros no kopējās 11 Wh ir pieejama tikai aptuveni 2Wh jauda.

Izmantojot mazjaudas 0.7-5V līdz 5V pārveidotāju (~ 75-85% efektivitāte), izmantojot kondensatoru banku, es varēju uzlādēt savu 11 Wh akumulatoru no 3% līdz 65% (lai gan tālruņi ir ārkārtīgi neefektīvi uzlādējot, kur 60-80 % ieejas jaudas faktiski tiek saglabāta).

Šajā projektā izmantotajām detaļām, iespējams, ir labākas detaļas, nekā man bija pie rokas. Bet šeit viņi ir:

• 6x super kondensatori (2.5V, 2300 Farad - no automašīnas reģeneratīvās bremžu sistēmas. Var atrast ebay u.c.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x 5V darbināms displejs (es izmantoju 5,5 collu AMOLED displeju ar HDMI kontrollera paneli)
• 2x ATTiny85 mikrokontrolleri (iekļaušu programmēšanu)
• 2x 0,7V-5V līdz nemainīgiem 5V 500mA DC-DC pārveidotājiem
• 4x 1,9V-5V līdz nemainīgiem 5V 1A DC-DC pārveidotājiem
• 1x čemodāns
• 3x 6A PWM spējīgi mosfeti
• 2x 10A Schottky diodes
• 10x alumīnija T veida spraugas rāmis (ar savienojumiem utt. Ir atkarīgs no tā, ko vēlaties izmantot, lai turētu lietas vietā)
• kioska tastatūra
• 20W 5V saules panelis
• USB - mikro USB kabeļi
• HDMI kabelis
• Elektrisko pamatkomponentu un prototipēšanas dēļu sortiments.
• daudzas 3D drukātas detaļas (es iekļaušu.stl failus)

Šīs detaļas var viegli nomainīt pret piemērotākām/efektīvākām detaļām, taču tas bija man pa rokai. Izmēru ierobežojumi mainīsies arī atkarībā no izvēlētajiem komponentiem.

Ja jums ir atsauksmes par dizainu, nevilcinieties atstāt komentāru!

1. darbība. Jaudas raksturojums

Lai sniegtu priekšstatu par to, ko sagaidīt no enerģijas viedokļa, izmantojot kondensatorus kaut kam, kam tie noteikti nebija paredzēti:

Kad kondensatora kārbas spriegums nokrīt pārāk zemu (1,9 V), ATTinys ir ieprogrammēts, lai neieslēgtu nevienu sistēmas komponentu. Tas ir tikai, lai nodrošinātu, ka komponenti neņem enerģiju, ja tie nevar konsekventi darboties ar zemāku spriegumu.

Šī sistēma darbojas, izmantojot līdzstrāvas līdzstrāvas pārveidotājus ar sprieguma līmeni no 4,5 V līdz 1,9 V no kondensatora bankas.

Ieejas uzlādes spriegums var būt no 5V līdz 5,5V (ne augstāks par 5A pie 5,5V). 5V 10A vai augstāki adapteri sabojās mosfet un sadedzinās to ar pusi PWM uzlādes ātrumu.

Ar kondensatoru uzlādes īpašībām vislabākais būtu logaritmiskais/eksponenciālais uzlādes ātrums, jo kļūst arvien grūtāk nospiest jaudu tuvāk pilnai uzlādei … bet es nekad nevarētu panākt, lai matemātiskā funkcija darbotos ar peldoša tipa mainīgajiem ATTiny kāda iemesla dēļ. Kaut ko man paskatīties vēlāk …

Pie pilnas apstrādes jaudas aptuvenais darbības laiks ir 1 stunda. Dīkstāvē, 2 stundas.

Izmantojot LowRa uztvērēju, dzīves ilgums samazinās vēl par ~ 15%. Izmantojot ārēju lāzera peli, dzīves ilgums samazinās vēl par ~ 10%.

Zemāks kondensatora bloka spriegums = mazāka efektivitāte, pārveidojot par 5 V par strāvas komponentiem. Aptuveni 75% pie 2V kondensatora uzlādes, kur pārveidotājos tiek zaudēta daudz enerģijas kā siltums.

Kad klēpjdators ir pievienots, tas var darboties bezgalīgi, izmantojot 5,3 V 8A adapteri. Izmantojot 2A adapteri, sistēmai ir nepieciešama pilnīga uzlāde pirms ieslēgšanas neierobežotai lietošanai. ATTiny PWM uzlādes ātrums ir tikai 6,2% no ieejas jaudas, ja kondensatora bloks ir 1,5 V vai mazāks, lineāri sasniedzot 100% uzlādes ātrumu ar pilnu uzlādi.

Šīs sistēmas uzlāde prasa ilgāku laiku, izmantojot zemākas strāvas adapteri. Uzlādes laiks no 2V līdz 4,5V, kondensatora bankai nekas nenotiek:

• 5.2V 8A adapteris ir 10-20 minūtes (parasti apmēram 13 minūtes).
• 5.1V 2A adapteris ir 1-2 stundas. Tā kā diodes pazemina spriegumu par aptuveni 0,6 V, daži adapteri precīzi pie 5 V nekad pilnībā neuzlādēs šo sistēmu. Tomēr tas ir labi, jo adapteris netiks negatīvi ietekmēts.
• 20W saules panelis pilnā saules gaismā ir 0,5-2 stundas. (pārbaudes laikā ir daudz atšķirību).

Pastāv raksturīga problēma, kas saistīta ar kondensatoru izmantošanu, ja tie netiek turēti pārāk ilgi, jo tuvāk esat maksimālajam spriegumam.

Pirmo 24 stundu laikā kondensatoru banka vidēji izlādējas no 4,5 V līdz 4,3 V. Tad nākamo 72 stundu laikā lēnām samazināsies līdz diezgan nemainīgam 4,1 V. ATTinys kopā ar nelielu pašizlādi pēc pirmajām 96 stundām samazinās spriegumu par 0,05–0,1 V dienā (eksponenciāli lēnāk, jo spriegums nokrītas tuvāk nullei). Kad pie 1,5 V un zemāks kondensatora kārbas spriegums samazinās aptuveni 0,001-0,01 V dienā atkarībā no temperatūras.

Ņemot to visu vērā, konservatīva aptuvena vērtība būtu izlāde līdz 0.7V ~ 100 dienu laikā. Es atstāju šo sēdi 30 dienas un joprojām paliku ar nedaudz vairāk par 3,5 V.

Šī sistēma var darboties bezgalīgi tiešos saules staros.

* * * PIEZĪME: * * Šīs sistēmas kritiskais spriegums ir 0,7 V, ja līdzstrāvas līdzstrāvas pārveidotāji, kas baro ATTinys, neizdosies. Par laimi, Mosfet, kas kontrolē uzlādes ātrumu, palielināsies par ~ 2%, ja strāva ir pievienota pie šī vai zemāka sprieguma, ļaujot lēni uzlādēt. Es joprojām neesmu sapratis, KĀPĒC tas notiek, bet tas ir laimīgs bonuss.

Man vajadzēja ~ 15 reizes pilnībā uzlādēt un izlādēt kondensatora banku, pirms tie ķīmiski līdzsvarojās un turēja pienācīgu uzlādi. Kad es pirmo reizi tos savienoju, es biju ārkārtīgi neapmierināts ar uzglabātās uzlādes daudzumu, taču pirmajos 15 pilnas uzlādes ciklos tas kļūst daudz labāks.

2. darbība: Pi jaudas kontrolieris

Lai ieslēgtu un izslēgtu Pi, man bija jāievieš jaudas regulators ar 4 DC-DC pārveidotājiem un mosfet.

Diemžēl Pi patērē aptuveni 100 mA, pat ja tas ir izslēgts, tāpēc man bija jāpievieno mosfets, lai pilnībā izslēgtu strāvu. Ja strāvas regulators ir ieslēgts, tikai ~ 2mA tiek izniekots ar pilnu uzlādi (~ 0,5mA ar zemu uzlādi).

Būtībā kontrolieris veic šādas darbības:

1. Regulē sprieguma līmeni zem 2,5 V kondensatoros, lai izvairītos no pārsprieguma uzlādes laikā.
2. Četras līdzstrāvas līdzstrāvas (maksimāli 1A, kopā 4A) izvelk tieši no kondensatoriem no 4,5V līdz 1,9V nemainīgam 5,1V.
3. Nospiežot pogu, mosfets ļauj jaudai plūst uz Pi. Vēl viena prese pārtrauc strāvu.
4. ATTiny vēro kondensatora bankas sprieguma līmeni. Ja tas ir pārāk zems, mosfet nevar ieslēgt.

Sudraba poga, nospiesta, norāda kondensatora blokā atlikušo jaudu. 10 mirgo pie 4,5 V un 1 pie 2,2 V. Saules panelis var uzlādēt līdz pilnam 5 V spriegumam un mirgo 12 reizes šajā līmenī.

Kondensatora spriegumu regulē ar zaļo disku 2.5V regulatoriem, kas atdala lieko jaudu. Tas ir svarīgi, jo saules panelis pasīvi uzlādē kondensatorus caur 10A diodi tieši līdz 5,2 V, kas tos pārmērīgi uzlādētu.

Līdzstrāvas līdzstrāvas pārveidotāji spēj nodrošināt līdz 1A, un tiem ir mainīga pastāvīga sprieguma izeja. Izmantojot augšpusē esošo zilo potenciometru, spriegumu var iestatīt uz jebkuru nepieciešamo līmeni. Es tos iestatīju uz 5,2 V, kas krīt aptuveni 0,1 V pāri mosfetam. Viens būs vismazākais mazliet lielāks spriegums nekā citi un būs mēreni karsts, bet pārējie apstrādās jaudas pieaugumus no Pi. Visi 4 pārveidotāji var izturēt strāvas padevi līdz 4A ar pilnu kondensatora uzlādi vai 2A ar zemu uzlādi.

Pārveidotāji ar pilnu uzlādi patērē ~ 2mA mierīgu strāvu.

Pievienota Arduino skice, kuru es izmantoju, lai to paveiktu ar ATTiny (pievienotas daudzas piezīmes). Poga ir pievienota pārtraukumam, lai izvilktu ATTiny no miega un darbinātu Pi. Ja jauda ir pārāk zema, strāvas indikators mirgo 3 reizes un ATTiny tiek atkal iemigts.

Ja poga tiek nospiesta otro reizi, Pi barošana tiek izslēgta un ATTiny tiek ieslēgts miega režīmā līdz nākamajai pogas nospiešanai. Tas miega režīmā izmanto dažus simtus nano pastiprinātāju. ATTiny darbojas ar 500 mA līdzstrāvas līdzstrāvas pārveidotāju, kas var nodrošināt nemainīgu 5 V spriegumu no 5 V līdz 0,7 V.

Strāvas korpuss tika izstrādāts uz TinkerCAD (tāpat kā visas pārējās 3D izdrukas) un tika izdrukāts.

Par shēmu skatiet rupji uzzīmēto shēmu.

3. darbība: uzlādes sistēma

Uzlādes kontrolieris sastāv no trim daļām:

1. Kontroliera ķēde, ko vada ATTiny
2. Mosfeti un diodes (un ventilators dzesēšanai)
3. Klēpjdatora barošanai izmantoju sienas lādētāju 5.2V 8A

Regulatora ķēde pamostas ik pēc 8 sekundēm, lai pārbaudītu savienojumu ar zemi uzlādes portā. Ja ir pievienots uzlādes kabelis, ieslēdzas ventilators un sākas uzlādes process.

Kad kondensatora banka kļūst arvien tuvāka pilnai uzlādei, PWM signāls, kas kontrolē mosfet, tiek lineāri palielināts līdz 100% ON pie 4,5 V. Kad ir sasniegts mērķa spriegums, PWM signāls tiek izslēgts (4,5 V). Pēc tam pagaidiet, līdz tiek sasniegta noteiktā apakšējā robeža, lai atkal sāktu uzlādi (4,3 V).

Tā kā diodes samazina uzlādes spriegumu no 5,2 V līdz ~ 4,6 V, teorētiski es varētu atstāt lādētāju darboties 24 stundas diennaktī ar sprieguma ierobežojumu aptuveni 4,6-4,7 V. Uzlādes laiks līdz izlādei, kad tas ir pilns vai gandrīz pilns, ir aptuveni <1 minūte uzlādes un 5 minūtes izlādes.

Kad uzlādes kabelis ir atvienots, ATTiny atkal iet gulēt.

Mosfets ir no ebay. Tos var darbināt ar 5V PWM signālu, un katrs var apstrādāt līdz 5A. Tas ir pozitīvā līnijā, izmantojot trīs 10A Schottky diodes, lai novērstu atpakaļplūsmu uz sienas lādētāju. PIRMS savienošanas ar sienas lādētāju vēlreiz pārbaudiet diodes orientāciju. Ja tas ir nepareizi orientēts, lai ļautu strāvai plūst no kondensatoriem uz sienas lādētāju, lādētājs kļūs ļoti karsts un, iespējams, izkusīs, kad tas būs pievienots klēpjdatoram.

5 V ventilatoru darbina sienas lādētājs un tas atdzesē pārējās sastāvdaļas, jo tās kļūst ļoti karstas zem puslādēšanas.

Uzlāde, izmantojot 5,2 V 8A lādētāju, aizņem tikai dažas minūtes, bet kā 5V 2A lādētājs ilgst vairāk nekā stundu.

PWM signāls uz mosfet ļauj tikai 6% jaudas, izmantojot 1,5 V vai mazāk, pakāpeniski palielināties līdz 100% ar pilnu 4,5 V uzlādi. Tas ir tāpēc, ka kondensatori darbojas zem strāvas sprieguma, bet kļūst eksponenciāli grūtāk uzlādēt, jo tuvāk izlīdzināšanai.

20 W saules panelis darbina nelielu 5,6 V 3,5A USB lādētāja ķēdi. Tas tieši caur 10A diode tiek padots uz kondensatora banku. 2,5 V regulatori pasargā kondensatorus no pārmērīgas uzlādes. Vislabāk ir neatstāt sistēmu saulē ilgu laiku, jo regulatori un lādētāja ķēde var sakarst.

Skatiet pievienoto Arduino skici, citu slikti uzzīmētu shēmu un. STL failus 3D drukātajām daļām.

Lai izskaidrotu, kā ķēde ir savienota kopā, uzlādes kontrolierim ir viena līnija, lai pārbaudītu ieejas spriegumu no lādētāja, un viena līnija līdz moswet moduļu pwm tapām.

Mosfet moduļi ir iezemēti kondensatora bloka negatīvajā pusē.

Šī ķēde neizslēgsies, ja ventilators nav pievienots no kondensatoru negatīvās puses uz lādētāja ieejas augsto pusi. Tā kā augstā puse atrodas aiz diodēm un mosfetiem, tiks tērēta ļoti maza jauda, jo pretestība pārsniedz 40 000. Ventilators pazemina augsto pusi, kamēr lādētājs nav pievienots, bet neņem pietiekami daudz strāvas, lai to samazinātu, kamēr lādētājs ir pievienots.

4. darbība. Kondensatoru banka un papildu 3D izdrukas

Izmantotie kondensatori ir 6x 2.5V @ 2300F superkondensatori. Tie ir sakārtoti 2 komplektos 3 sērijās paralēli. Tas nāk uz banku 5V @ 3450F. Ja VISU enerģiju varētu izvilkt no kondensatoriem, tie var nodrošināt ~ 11Wh jaudu vai 3,7V 2,5 Ah litija jonu akumulatoru.

Saite uz datu lapu:

Vienādojumi, kurus izmantoju, lai aprēķinātu kapacitāti un pēc tam pieejamās vatu stundas:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2,5V 6900F+2,5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Izmantojot 4,5V līdz 1,9V pieejamā potenciāla pie 3450F kondensatoriem (((C*) (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = džouli kopā ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 sekundes = vatu stundas 28704/3600 = 7,97 Wh (teorētiski maksimālā pieejamā jauda)

Šī banka ir ļoti liela. pie 5 cm augsts x 36 cm garš x 16 cm plats. Tas ir diezgan smags, iekļaujot tajā izmantoto alumīnija rāmi … Apmēram 5 kg vai 11 mārciņas, neskaitot čemodānu un visas citas perifērijas ierīces.

Es savienoju kondensatora spailes, izmantojot 50A spaiļu savienotājus, kas pielodēti kopā ar 12 gabarīta vara stiepli. Tas ļauj izvairīties no pretestības sašaurinājuma pie termināļiem.

Izmantojot alumīnija T veida stieņa rāmi, klēpjdators ir neticami izturīgs (lai gan arī ĻOTI smags). Izmantojot šo rāmi, visas sastāvdaļas tiek turētas vietā. Aizņem minimālu vietu klēpjdatorā, visur neizurbjot caurumus.

Šajā projektā tika izmantoti daudzi 3D drukāti gabali:

• Kondensatoru bankas turētāji pilni
• Kondensatora bankas turētāja stiprinājumi
• Apakšā kondensatoru turētāji
• Atdalītājs starp pozitīvajiem un negatīvajiem kondensatora spailēm
• Raspberry Pi turētāja plāksne
• Augšējie vāki tastatūrai un kondensatoriem (tikai estētikai)
• AMOLED ekrāna turētājs un vāks
• AMOLED kontrollera turētājs
• HDMI un USB vadu vadotnes, lai parādītu kontrolieri no Pi
• Poga un LED plāksnes augšējā piekļuve jaudas kontrolei
• citi pievienos, kad es tos izdrukāju

5. darbība. Secinājums

Tā kā šis bija tikai hobija projekts, es uzskatu, ka tas pierādīja, ka superkondensatorus var izmantot klēpjdatora barošanai, bet, iespējams, nevajadzētu izmantot izmēru ierobežojumu dēļ. Šajā projektā izmantoto kondensatoru jaudas blīvums ir vairāk nekā 20 reizes mazāks nekā litija jonu akumulatoriem. Turklāt svars ir absurds.

Tas nozīmē, ka tam var būt dažādi pielietojumi nekā parastajam klēpjdatoram. Piemēram, es šo klēpjdatoru izmantoju galvenokārt no saules uzlādes. To var izmantot mežā, neraizējoties par atkārtotu akumulatora uzlādi un izlādi vairākas reizes dienā. Kopš sākotnējās uzbūves esmu nedaudz pārveidojis sistēmu, lai vienā korpusa pusē iekļautu 5V 4A kontaktligzdu, lai barotu apgaismojumu un uzlādētu tālruņus, pārbaudot sensorus mežā. Svars joprojām ir plecu slepkava…

Tā kā uzlādes cikls ir tik ātrs, jums nekad nav jāuztraucas par enerģijas izlādēšanos. Es varu to pieslēgt 20 minūtes (vai mazāk atkarībā no pašreizējā līmeņa) jebkur, un es varu būt gatavs intensīvai lietošanai vairāk nekā stundu.

Viens no šī dizaina trūkumiem ir tas, ka garāmgājējam tas šķiet ļoti aizdomīgi … Es to neņemtu sabiedriskajā transportā. Vismaz nelietojiet to pūļa tuvumā. Daži draugi man ir teikuši, ka man vajadzēja likt tam izskatīties nedaudz mazāk “draudīgam”.

Bet kopumā man bija jautri veidot šo projektu, un esmu diezgan daudz iemācījies, kā nākotnē izmantot superkondensatoru tehnoloģiju citiem projektiem. Arī visa koferī ievietošana bija 3D mīkla, kas nebija pārāk nomākta, pat diezgan interesants izaicinājums.

Ja jums ir kādi jautājumi, dariet man zināmu!